T300/BMP316聚酰亞胺基復(fù)合材料層壓板表面損傷研究

紀(jì)斌逸　許國棟　蔣蔚　陳靜

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司　北京市　101300）

T300/BMP316聚酰亞胺基復(fù)合材料層壓板表面損傷研究

紀(jì)斌逸許國棟蔣蔚陳靜

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司北京市101300）

T300/BMP316耐高溫復(fù)合材料，主要應(yīng)用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端部件、高速飛行器和導(dǎo)彈的短時(shí)耐熱結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)。由于復(fù)合材料本身不耐磕碰，容易造成表面損傷，因此，本研究設(shè)計(jì)了幾種表面損傷的類型，并對此類損傷對層壓板的性能影響進(jìn)行了評(píng)估。

聚酰亞胺；復(fù)合材料

1　研究背景

先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced Composites Material，簡稱ACM）專指可用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或超過鋁合金的復(fù)合材料。ACM具有質(zhì)量輕，較高的比強(qiáng)度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、耐高（低）溫等特點(diǎn)，已被大量運(yùn)用到航空航天、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、建筑等行業(yè)[1～2]。在高溫領(lǐng)域，BMP316聚酰亞胺樹脂為耐熱性能和抗熱氧化穩(wěn)定性能優(yōu)良的熱固性樹脂，主要用于在熱壓罐中固化成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。熱壓成型聚酰亞胺基復(fù)合材料主要應(yīng)用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端部件、高速飛行器和導(dǎo)彈的短時(shí)耐熱結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)。典型產(chǎn)品如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、進(jìn)氣機(jī)匣、葉片、噴口調(diào)節(jié)片等，巡航導(dǎo)彈頭錐、進(jìn)氣道整流罩，空空導(dǎo)彈舵翼面、雷達(dá)天線罩等。是航空航天等領(lǐng)域耐熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重和功能化的重要材料，成為航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的材料品種[3]。復(fù)合材料構(gòu)件在使用過程中，由于各種原因，導(dǎo)致表面磕碰損傷，本研究設(shè)計(jì)了幾種表面損傷的類型，并對此類損傷對層壓板的性能影響進(jìn)行了評(píng)估。

2　試驗(yàn)件準(zhǔn)備

機(jī)械損傷試件采用T300/BMP316復(fù)合材料，按照復(fù)合材料外涵機(jī)匣鋪層及制造工藝壓制，試件尺寸為300mm×80mm× 2.6mm，鋪層為[45/-45/90/90/-45/0/90/0/45/90]s，單層厚度0.12mm，正反各貼有厚度0.1mm的EW100/BMP316玻璃布。貼補(bǔ)法修理的試件同機(jī)械損傷試件，TC4鈦合金補(bǔ)片直徑為56mm，厚1.5mm，鉚接在試件上。所有試件兩端均有尺寸為60mm×80mm×2.0mm的玻璃鋼加強(qiáng)片。

表1給出了用于研究的試驗(yàn)件六種狀態(tài)及其相應(yīng)數(shù)量。本研究共進(jìn)行了兩種試驗(yàn)項(xiàng)目：靜強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。每一種狀態(tài)（即每一組）的試驗(yàn)件，編號(hào)后兩位為01～06的用于進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)，編號(hào)后兩位為07～12的用于疲勞試驗(yàn)，其中編號(hào)后兩位為11、12的進(jìn)行100次預(yù)定疲勞載荷譜，編號(hào)后兩位為07～10的共進(jìn)行200次疲勞載荷譜。

試件編號(hào)形如圖1。

例如：某試件編號(hào)為A4-D20H10-08，則其表示的是第4組第8個(gè)試件，該試件未進(jìn)行修補(bǔ)，含有直徑20mm深1.0mm的機(jī)械損傷。

表1　試驗(yàn)件

圖1　

試驗(yàn)前需對試件全面探傷。使用超聲C掃描對試驗(yàn)件進(jìn)行無損檢測，記錄缺陷和損傷情況，附錄C給出了各試驗(yàn)件試驗(yàn)前的無損檢測結(jié)果。圖2給出了部分試件試驗(yàn)前的無損檢測圖。

圖2　A3組試驗(yàn)前無損檢測圖

應(yīng)變片選擇符合GB/T13992-92的A級(jí)要求。機(jī)械損傷試件（第A1、A2、A3、A4組試件）應(yīng)變片粘貼位置如圖3所示，圖中括號(hào)里面的數(shù)字指試件背面相應(yīng)位置處的應(yīng)變片。

圖3　機(jī)械損傷試件應(yīng)變片粘貼位置圖

無損傷應(yīng)變片粘貼位置如圖4所示。

圖4　無損傷試件應(yīng)變片粘貼位置圖

貼補(bǔ)法修理試件位置如圖5所示。

圖5　貼補(bǔ)修理試件應(yīng)變片粘貼位置圖

3　試驗(yàn)過程

3.1靜強(qiáng)度試驗(yàn)

將試件夾持在試驗(yàn)機(jī)上，施加載荷進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)。圖6給出了靜強(qiáng)度試驗(yàn)加載譜。

圖6　靜強(qiáng)度試驗(yàn)載荷加載譜

3.1.1屈服強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)

以1mm/min的加載速度，施加拉伸載荷至16608N，保載5min。

3.1.2極限強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)

屈服強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)后，如果試驗(yàn)件仍有承載能力，以1mm/min的加載速度繼續(xù)施加拉伸載荷至24912N，保載5min。

3.1.3破壞強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)

極限強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)后，如果試驗(yàn)件仍有承載能力，以1mm/ min的加載速度繼續(xù)施加拉伸載荷至33216N，保載5min；如果試驗(yàn)件仍有承載能力繼續(xù)加載直至試驗(yàn)件破壞。試驗(yàn)過程照片見圖7。

圖7　靜力試驗(yàn)照片

3.2疲勞試驗(yàn)

對每組試驗(yàn)件編號(hào)末尾為07～12的試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，圖8為疲勞試驗(yàn)照片。

3.2.1低循環(huán)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

按照表2中1～10的順序，施加表3中載荷，重復(fù)100次。低周疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，對所有試件進(jìn)行第二次無損檢測。

3.2.2剩余強(qiáng)度試驗(yàn)

完成低循環(huán)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)后，如果試驗(yàn)件仍有承載能力，進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)。圖9為剩余強(qiáng)度試驗(yàn)照片。

圖8　疲勞試驗(yàn)照片

表2　循環(huán)載荷譜

圖9　疲勞后剩余強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)

（1）選取兩件試驗(yàn)件（這里取每組編號(hào)末尾為11、12的兩件試驗(yàn)件）施加拉伸載荷直至試驗(yàn)件破壞，記錄破壞載荷；

（2）對剩余試驗(yàn)件繼續(xù)施加表3中循環(huán)載荷，重復(fù)100次后，若試驗(yàn)件仍具有承載能力，則停止低循環(huán)疲勞試驗(yàn)，對試驗(yàn)件進(jìn)行第三次無損檢測；

（3）對完成（2）條所要求試驗(yàn)后仍具有承載能力的試驗(yàn)件施加拉伸載荷直至試驗(yàn)件破壞。

4　試驗(yàn)結(jié)果

4.1靜強(qiáng)度試驗(yàn)

表3給出了靜強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以下各值均為平均值。其中，強(qiáng)度比例指該組試件平均剩余強(qiáng)度與無損傷組（A5組）平均剩余強(qiáng)度的比值，破壞應(yīng)變比例指該組試件平均破壞應(yīng)變與無損傷組平均破壞應(yīng)變的比值。為了直觀比較，圖10給出了靜力試驗(yàn)結(jié)果柱形圖。

表3　靜強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表3的試驗(yàn)結(jié)果可見，對于φ10的機(jī)械損傷，損傷深度由0.5mm增加到1.0mm，拉伸強(qiáng)度降低。

4.2疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

圖10　靜力試驗(yàn)結(jié)果柱形圖

圖11　靜力試驗(yàn)后試件破壞照片

表4給出了兩次疲勞后的拉伸剩余強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值。為了直觀比價(jià)，圖12給出了由表4繪制出的靜強(qiáng)度和一次疲勞、二次疲勞后剩余強(qiáng)度的對比圖。圖13為疲勞后試件剩余強(qiáng)度拉伸破壞照片。

表4　疲勞后剩余強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值

圖12　靜強(qiáng)度和一次疲勞、二次疲勞后剩余強(qiáng)度的對比圖

圖13　試件疲勞后剩余強(qiáng)度拉伸破壞照片

5　試驗(yàn)結(jié)論

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）對試件加載200次預(yù)定疲勞載荷譜，無損傷試件沒有產(chǎn)生任何損傷，其拉伸強(qiáng)度值無明顯變化；四種給定損傷形式的試件以及修理以后的試件，其預(yù)制損傷無明顯擴(kuò)展，拉伸強(qiáng)度值無明顯變化?？梢娫搹?fù)合材料板在預(yù)定載荷譜下具有很好的疲勞特性。

（2）由試驗(yàn)結(jié)果可見，含直徑10mm，深0.5mm機(jī)械損傷的試件相對于無損傷試件，其靜強(qiáng)度降低了3%，破壞應(yīng)變降低了4%；含直徑20mm，深0.5mm機(jī)械損傷的試件相對于無損傷試件，其靜強(qiáng)度降低了13%，破壞應(yīng)變降低了14%?？梢娦〕叽绲谋砻娣谴┩笓p傷對試件的強(qiáng)度影響較小。

（3）A3組與A1組對比，損傷深度相同，損傷面積增加三倍，強(qiáng)度降低81MPa，降低10.9%；A4組與A2組對比，損傷深度相同，損傷面積增加三倍，強(qiáng)度降低85MPa，降低15%；A2組與A1組對比，損傷面積相同，損傷深度增加一倍，強(qiáng)度降低167MPa，降低22.5%；A4組與A3組對比，損傷面積相同，損傷深度增加一倍，強(qiáng)度降低171MPa，降低25.9%。由以上對比可見，一定損傷范圍內(nèi)，損傷深度是比損傷面積更重要的影響強(qiáng)度的參量。

（4）B1組與A4組對比可見，本試驗(yàn)采用的修補(bǔ)方法不能達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。分析原因可能是由于鉚接修理對試驗(yàn)件引入的損傷超過了原預(yù)制損傷。

[1]萬喜偉，王海青，彭公秋，等.國產(chǎn)碳纖維在某型號(hào)復(fù)合材料壁板的應(yīng)用情況分析.航空制造技術(shù)，2014（15）：50～51.

[2]萬喜偉，王海青，徐洪波，等.某大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接面次生缺陷解決過程分析.航空制造技術(shù)，2014（11）：96～97.

[3]陽燦，周洪飛.石英玻璃纖維布增強(qiáng)BMP350聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料性能研究.航空制造技術(shù)，2014（15）：56～57.

TB332

A

1673-0038（2015）23-0162-03

2015-5-22

紀(jì)斌逸（1982-），男，江蘇金壇人，工程師，碩士，研究方向?yàn)閺?fù)合材料。